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        17- 4PH不銹鋼激光修復(fù)45鋼組織及顯微硬度研究

        2022-10-25 08:49:28戴浩江訓(xùn)焱王燕
        金屬加工(熱加工) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:軸晶覆層熔池

        戴浩,江訓(xùn)焱,王燕

        江西昌河航空工業(yè)有限公司 江西景德鎮(zhèn) 333002

        1 序言

        激光具有作用時(shí)間短、功率密度高、功率精確可調(diào)及熱影響區(qū)小的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于3D打印及激光修復(fù)領(lǐng)域。激光修復(fù)通常以激光熔覆作為技術(shù)基礎(chǔ),為零部件及工裝模具制備耐磨、耐蝕等特殊功能涂層,對(duì)斷裂、磨損(損傷)區(qū)域進(jìn)行修復(fù)及表面改性,可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命,是綠色制造的重要組成部分[1]。

        45鋼是應(yīng)用較廣泛的一類碳素鋼,在航空工業(yè)中被廣泛用于夾具、模具及力學(xué)、疲勞等性能測(cè)試工裝的制作[2],使用過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生斷裂、磨損失效,影響零件生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)。17-4PH是一類沉淀硬化不銹鋼,具有優(yōu)良的強(qiáng)度、硬度及耐磨性和耐蝕性[3]。工業(yè)上一般選用合適的金屬材料用于修復(fù)損壞的工裝、模具,這樣既能節(jié)約工裝制造成本,又能提升工裝表面耐磨性能。本文采用激光熔覆技術(shù)在45鋼表面熔覆沉積17-4PH不銹鋼,并對(duì)修復(fù)區(qū)域兩種鋼的微觀組織及顯微硬度進(jìn)行了測(cè)試。

        2 試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)基材選用45鋼,材料厚度為6mm,熔覆之前用2000#砂紙進(jìn)行打磨,并依次用酒精、去離子水及丙酮擦洗干凈,放入干燥皿中備用。

        17-4PH不銹鋼粉末的粒徑為50~150μm,熔覆粉末在真空干燥箱內(nèi)100℃下烘烤2h,除去熔覆粉末表面吸附的氣體和水分。選用光纖激光器(最高功率為3kW)及6軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行修復(fù),激光熔覆試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。激光熔覆修復(fù)工藝參數(shù)為:激光功率2kW,同軸送粉方式,送粉速率10g/min;激光光斑直徑3mm,掃描速率350mm/min,搭接率30%;保護(hù)氣氛為高純氬氣,送氣量為3L/min;單層熔覆金屬厚度為0.4~0.7mm,熔覆10個(gè)道次。

        圖1 激光熔覆試驗(yàn)設(shè)備

        修復(fù)后的金屬依次用500#、1000#及3000#砂紙打磨縱截面,拋光后用10%的硝酸酒精溶液進(jìn)行金相刻蝕并觀察金相;采用數(shù)字式顯微硬度計(jì)測(cè)試修復(fù)區(qū)縱截面維氏硬度,載荷為500g,保壓時(shí)間為10s。

        3 結(jié)果分析與討論

        3.1 金相組織

        45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的縱截面金相如圖2~圖6所示。由圖2可知,熔覆層與基體之間的界面為良好的冶金結(jié)合,整個(gè)17-4PH不銹鋼熔覆層致密完整,不存在氣孔、夾雜、裂紋等冶金缺陷,表明激光修復(fù)參數(shù)合理;由圖3可知,基體中主要為珠光體和鐵素體,熱影響區(qū)在熔覆過程中反復(fù)受到加熱和急速冷卻,具有類似回火馬氏體的組織;由圖4可知,熔覆層(17-4PH不銹鋼)緊貼基體的部分形成了細(xì)小的等軸晶,這主要是由于首次熔覆時(shí)基體溫度較低且體積較大,熔融的17-4PH不銹鋼接觸冷基體的瞬間,熱傳導(dǎo)很快,過冷度極大,所以形成了數(shù)量眾多的細(xì)小等軸晶粒;隨著距熔覆界面距離的增加,熔覆道次也在增加,此時(shí)由于熱量積累,熔池與基體間的溫度梯度減小,過冷度降低,熔池在冷卻凝固過程中形核率下降,所以晶粒易長(zhǎng)大;由圖5可知,搭接區(qū)也有大量明顯的細(xì)小等軸晶粒,主要是由于在多道搭接熔覆過程中,先期形成的熔覆層受到后續(xù)熔覆時(shí)熱量輸入的影響,發(fā)生重熔結(jié)晶,同時(shí),反復(fù)加熱急冷也使后一道次的熔覆對(duì)前一道次的熔覆金屬層起到了類似激光淬火的作用,在搭接區(qū)生成了細(xì)小等軸晶;由圖6可知,兩個(gè)熔覆道次的界面同樣存在由細(xì)小晶粒組成的熔覆線,熔覆線以上為等軸晶,形成該現(xiàn)象的原因同樣是熔池與上一層固體接觸時(shí)過冷度較大,易形成細(xì)小等軸晶,隨著熱量積累,在熔覆線以上形成了柱狀晶[4-8]。

        圖2 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的截面總體金相組織

        圖3 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的基體及熱影響區(qū)金相組織

        圖4 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的熔覆層金相組織

        圖5 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的搭接區(qū)金相組織

        圖6 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的熔覆道次界面層金相組織

        3.2 顯微硬度

        沿著基體到熔覆層上表面的方向,對(duì)45鋼基體、熱影響區(qū)及熔覆層的不同部位進(jìn)行了顯微硬度測(cè)試,如圖7所示。熔覆層與熱影響區(qū)界面處的17-4PH不銹鋼硬度最高,其次為熔覆搭接區(qū),再次為17-4PH不銹鋼熔覆層本體,且其硬度隨著距(本體45鋼/熔覆層)界面距離的增加有微弱的下降;隨后為45鋼熱影響區(qū),硬度最低的為45鋼基體。

        圖7 激光熔覆層不同部位的顯微維氏硬度

        顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明,熔覆層不同部位的硬度與其熔池凝固冷卻速度密切相關(guān),冷卻速度越快,獲得的硬度越高;45鋼熱影響區(qū)的硬度高于基體是因反復(fù)加熱和急冷而起到了淬火的作用[9,10]。由于17-4PH不銹鋼熔覆修復(fù)區(qū)有著比基體45鋼更高的硬度,具有比基體更優(yōu)良的耐磨性及力學(xué)性能,所以使用17-4PH不銹鋼修復(fù)45鋼工裝及模具技術(shù)可行,有著廣闊的應(yīng)用前景。

        4 結(jié)束語

        本文通過使用17-4PH不銹鋼作為熔覆材料開展基于45鋼基板的激光熔覆工藝試驗(yàn),對(duì)熔覆區(qū)組織及顯微硬度進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論。

        1)17-4PH不銹鋼熔覆層與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合,熔覆層中不存在氣孔、夾雜、裂紋等冶金缺陷,因此使用17-4PH不銹鋼修復(fù)45鋼是可行的。

        2)由于冷卻速度快,熔覆層貼近基體的部位、使搭接區(qū)形成了細(xì)小的等軸晶;在等軸晶之上,沿著熔覆層外表面方向,由于熱量積累冷卻速度降低,所以熔覆層內(nèi)形成了柱狀晶;熱影響區(qū)形成了類似屈氏體的組織。

        3)17-4P H不銹鋼熔覆層搭接區(qū)顯微硬度達(dá)到了526H V,熔覆層內(nèi)細(xì)小等軸晶區(qū)域硬度為516HV,柱狀晶區(qū)顯微硬度為496HV;45鋼熱影響區(qū)硬度為377HV,基體硬度為280HV。由此可知,17-4PPH不銹鋼修復(fù)45鋼能顯著增加其耐磨性。

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